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ELECTRICIDAD DESDE ESTACION ESPACIAL SOLAR (EEES o SBPS)
Material para la asignatura “Tecnología de la Energía”, Post grado “Economía y Políticas Energéticas (UNIMET)”. Prof: Ing. Nelson Hernández
El astronauta Aldrin rinde tributo a la bandera de los Estados Unidos izada en la Luna (julio 1969)
… Se cumplen 40 años de uno de los grandes anhelos del hombre, “la conquista del espacio”. Hoy de nuevo estamos viendo, como tanta veces hemos hecho en busca de respuesta a nuestros problemas individuales o colectivos, hacia el cielo para solventar la problemática energética mediante estaciones espaciales para la conversión de la luz solar en electricidad.
Primer huella del hombre en la Luna. Foto de la huella de la bota del astronauta Aldrin (julio 1969)
PETROLEO (34 %)
CARBON (20 %)
GAS (25 %)
RENOVABLES (11 %)
NUCLEAR (8 %)
EOLICA+SOLAR (2 %)
ELECTRICIDAD (40 %)
RES/COMERC (13 %)
INDUSTRIAL (27 %)
TRANSPORTE (20 %)
Pronostico Consumo Mundial de Energía al 2030
Total = 310 MMBDPE
Fuente: Exxon - Mobil Elaboración: N. Hernández
3 %
8 %
33 %56 %
28 %
72 %
2 %
35 %
19 %45 %
1%
15 %
49 %35
%
100
%
100
%
Emisión CO2
Total = 33.5
millardos TM
23 %
32 %
8 %
37 %
39 %
61 %
32 %
27 %
41 %
4 %
29 %67 %
99 %
Petróleo Gas natural Carbón
Nuclear Renovable
18 TWh
2006
18.9%
15.0%
41.1%
20.0%
5.0%
31.8 TWh
2030
20.5%
11.9%
43.4%
21.4%
2.8%
Generación mundial de electricidad por tipo de combustible
Fuente: EIA Elaboración: Nelson Hernandez
2556
9558
1315668
2000
4000
6000
8000
10000
1950 60 70 80 90 00 10 20 30 40 50
No OECD (1.01 % I.A.)
1. 87 % I.A
Población mundialMillones
Historia Pronostico
OECD (0.70 % I.A.)0. 69 % I.A
Fuente: EIA/IDB Elaboración: Nelson Hernandez
Total (0.96 %
I.A.)
1.63 % I.A
6540
0
5
10
15
20
25
30
35
80 85 90 95 00 05 10 15 20 25 30No OECD TotalOECD
Historia Pronostico
TWh
31.7
18.0
8.0
13.29.9
5.4
18.5
8.1
2.6
Generación mundial de electricidad
Fuente: EIA Elaboración: Nelson Hernandez
2.4 % I.A
.
1.2 % I.A.
3.5 % I.A.
130001320013400136001380014000142001440014600148001500015200
502520151005 45403530
Kwh/hab.Energía consumo
otros usos
72007400760078008000820084008600880090009200
502520151005 45403530
Kwh/hab.Energía generación
electricidad
Energía total
0
50
100
150
200
250
502520151005 45403530
TWh
1.011 % I.A.
100020003000400050006000700080009000
10000
502520151005 45403530
MillonesPoblación
1.014 % I.A.
Fuente: EIA/IDB Elaboración: Nelson Hernandez
Proyección índices globales
25 %Energía primaria obtenida de la naturaleza: 400 EJ anual = 62.2 x 109 BPE
El usuario final lo transforma y solo usa 150EJ anual = 23.32 x 109 BPE
Entrega al usuario final: 300 EJ anual = 46.65 x 109
BPE
50 %
37.5 %
Eficiencia energética
EJ = Exa joule = 1018 jouleElaboración: N. Hernández
Retos de la humanidad
Población
Para el 2025, el mundo habrá añadido 2 millardos de personas a los 6.8 hoy existentes. El 56 % de la población vivirá en Asia y el 66% estará situada en áreas urbanas cercanas a la costa
EnergíaLa energía crece en menor proporción que la población. El pico de producción de los combustibles fósiles esta presente y causara inestabilidad social y económica de manera globalizada.
Tres aspectos a considerar:
• Combustibles para mover el transporte de personas y el de productos y equipos• Fuente energética para la carga base eléctrica• Gerencia de los picos de demanda eléctrica
Retos de la humanidad
Cambio climático
Incremento de la emisión de CO2 que alteraría el clima en la tierra con las siguientes consecuencia:
• Aumento del nivel de los mares y océanos con las perdidas de áreas costeras
• Mayor frecuencia e intensidad de tormentas tropicales con alto impactos en la agricultura, causando migraciones de seres humanos.
• Disminución de la fortaleza de la soberanía de países, teniendo cabida los conflictos étnicos y religiosos para garantizar la supervivencia
TecnologíaLa energía requiere una mayor dedicación de los países, sobre todos de los desarrollados, de sus presupuestos y políticas para alcanzar el estadio de la “energía sostenible”
Necesidad de adecuar el sistema energético mundial
Sistema Actual
1 millardo de personas utiliza una cantidad de energía equivalente mayor o igual a 2 kWe por persona
• 5 millardos de personas utiliza una cantidad de energía equivalente menor o igual a 0.6 kWe por persona
• El conjunto global de consumo es de unos 220 MMBD de petróleo equivalente o 4.8 x 1012 We (TWe)
• La mayor cantidad de energía utilizada es no renovable, contaminante, políticamente sensitivas y costosas para muchas personas
Nuevo Sistema• Si cada persona consume al menos 2 kWe, en el 2050 los 10 millardos consumirían 20 TWe• Si deseamos que la especie humana perdure en la tierra el sistema energético que necesita la humanidad debe ser: limpio, seguro, sostenible y de bajo costo
El sol fuente inagotable de energía
Las diferentes fuentes energéticas existentes en la tierra tienen su origen, directa o indirectamente, de la energía que recibe la tierra del sol:
Eólica
Solar térmica
Solar PV
Bio combustibles
Hidroeléctrica
Maremotriz
Geotérmica
Fósiles
Nuclear
Radiación solar (tierra) = 1800 CPEG
Potencial físico de energías renovables
Energía Eólica = 200 CPEG
Biomasa = 20 CPEG
Energía Geotérmica = 10 CPEG
Energía Oceánica y de Oleaje = 2 CPEG
Energía Hidráulica = 1 CPEG
Consumo Primario actual de Energía Global
Fuente: Nitsch, F. (2007): Technologische und energiewirtschaftlichePerspektiven erneuerbarer Energien. Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt.
Elaboración: N. Hernández
Perfil de una nueva fuente energética
Como complemento de las existentes, la nueva fuente energética debe ser:
• No agotable, para prevenir conflictos futuros
• Ambientalmente limpia, para garantizar un mundo sostenible
• Continuamente disponible, para proporcionar la seguridad de carga base para todos los usuarios
• De uso directo, para permitir su uso eficiente con minima infraestructura
• De bajo costo, para un mayor acceso de todas las poblaciones
• De concretización en los próximos 20 a 30 años
Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
SiNo, Disponibilidad limitadaSiSiGeotermal
SiSiSi Si SBSP o EEES
Capacidades limitadas. Pobre rendimiento energético ( EROEI)
Si Si Bio-combustibles
No, Sequías, Planificación compleja Si Si Hidráulica
No No, intermitenteSi Si Solar terrestre
No No, intermitenteSiSiEólica
Si Costos, Disponibilidad, Políticas SiNo Nuclear
SiInminente picoSiNo Fósiles
Carga Base?Confiable?Segura?Limpia?
¿ Cuales son las opciones energéticas?
Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
¿ Que es SBSP o EEES?
La energía eléctrica espacial solar (EEES) o Space Base Solar Power ( SBSP), es la energía solar capturada en el espacio mediante grandes arreglos de celdas fotovoltaicas y transmitida a la tierra vía microonda (Wi Tricity) o de rayo láser a un receptor en la tierra (redtecnna) donde se convierte en energía eléctrica de carga base, o de energía de carga de baja intensidad, o en energía sintética.
La luz del sol capturada en el espacio es más eficaz en el abastecimiento de energía continua de carga base comparada con la energía solar capturada en la tierra.
EEES ha sido estudiado desde los años 70 por DOE, NASA, ESA, y JAXA, pero “ha caído generalmente a través de las grietas” debido a que no ha existido una organización responsable para desarrollar e implementar programas espaciales y de seguridad energética. Sin embargo, el presidente Obamacontempla dentro de sus programa energético el desarrollo en los próximos 10 años de un prototipo semi comercial.
¿Cómo funciona el EEES?
Los paneles solares del satélite capturan la energía de la luz solar y la envían a la tierra utilizando la tecnología de transmisión inalámbrica vía microondas
Señales recibidas desde la antena receptora terrestre (verde) permiten al satélite corregir continuamente la dirección de envío de energía al punto receptor
Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
Ventajas del EEES
• Menos atmosfera permite obtener mayor energía por área
• Cualquier lugar de la tierra puede recibir la energía solar obtenida del EEES
• La estación puede proporcionar energía 96 % del tiempo
• Los paneles solares no ocupan superficie terrestre
• Suficiente espacio en el espacio
• Promueve el desarrollo espacial, solar y transmisión de la energía inalámbrica
Foto: Nasa
Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
Ventajas del EEES
• No es necesario equipos de almacenamiento de energía (baterías)
• El calor generado es arrojado al espacio
• No contaminación del agua o aire al producir la energía
• Requieren de poco personal para operarlas y las rectecnnas permiten, debajo de ellas, el desarrollo agrícola
Foto: Nasa
Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
Solar espacial
Intensidad Solar 1366 W/m2
No hay noche
Minima acción del tiempo
Solar Terrestre
Intensidad Solar1000 W/m2 Perdidas por mal
tiempo
12 h
de noche
Comparación EEES vs solar terrestre
60 % mas eficiente
Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
Siempre orientada hacia la tierra
Orbita geo estacionaria
24 horas
36000 Km en el ecuador
Concepto básico de una EEES
EEESSiempre
orientado hacia el sol
Elaboración: N. Hernández
35786 Km
EEES estacionario1
Km
35786 Km
365 días
1 Tw/día * 365 días/año = 365 Tw-año
Tw = 10 12 watios
Ajuste de eficiencia, posición geoespacial de la EEES y corrección
de tiempo orbital
212 Tw-añoReservas mundiales de petróleo (2008)
1258 millardos de barriles = 244 Tw
Cada Km de la banda recibe cada año 212 Tw, el 87 %, equivalente energéticamente a todas las reservas de petróleo para el 2008
Midiendo la potencialidad de EEES
Fuente: nns.org Elaboración: N. Hernández
EEES
8 Km
2 Km
Rectenna: Antena terrestre rectificadora para convertir directamente energía en forma de microondas a electricidad directa (DC)
13 Km
10 K
m
Conversión de corriente DC a AC
Prototipo de una EEES para 5 Gw-año
E = A*D* Fc * 365
E = 2 * 8 * 1.4 * 0.58 * 365 = 4.8 Gw-año
Elaboración: N. Hernández
¿Qué significa una EEES de 5 Gw-año?
1993Brasil
522Venezuela
44218Rusia
24120Alemania
104518China
51251Japon
198986Estados Unidos
8074034Mundo
Cantidad de EEES de 5 Gw
2006.Capacidad Instalada (Gw)
Algunos problemas a resolver con respecto a la Rectenna
• Su cercanía necesaria a las ciudades para minimizar perdidas operacionales
• Utilización de áreas significativas para su instalación
• Aunque es la misma cantidad por exposición asociada a teléfonos celulares y uso del microonda, resistencia de la población por posibles efectos a la salud
• Interferencia con otros equipos y dispositivos electrónicos
Los equipos de generación eléctrica (molinos o celdas solares) a gran escala solo proporcionan entre 25 a 30 % de la carga diaria, mientras que en la EEES es disponible en un 99 % todo el año en una orbita estacionaria por lo que puede ser utilizada como carga base. Lasplantas eléctricas de carbón o nucleares pueden proporcionar carga base en un 90 % al año.
Por otra parte, la EEES no requiere de ningún combustible por lo que hay cero contaminación. EEES es la fuente energética mas limpia y con una carga base ilimitada.
0
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0 20000 40000 60000
Inversión ($/Kw)
Costo ($/Kwh)
Premisas
• Sustitución de una planta a carbón
• Costo operación = 3 % de la inversión
• Horizonte económico = 20 años
• Depreciación = línea recta
• Beneficio por no emisión de CO2 = 50 $/tonelada
• Emisión teórica de CO2 = 1.35 T/Mwh
C = 0.008 * IDonde,
I, en miles de $
C, $/Kwh
Una aproximación económica de una EEES
Carbón (75 % de secuestro)
Solar PV
Solar Concentrada (PV)
Planta a Gas
Torre Solar
Torre Solar + Paneles PV
Nuclear 0.263
0.250
0.143
0.131
0.052
0.044
0.265
0.145Parque Eólico
Costo Generación de Electricidad ($/Kwh)
Elaboración: Nelson Hernández
Maremotriz
Planta a Carbón
Geotérmica
0.161
0.156
0.153
Proyecto SPS 2000
Proyecto energético (no espacial) desarrollado por Japón
Mas información : http://www.spacefuture.com/power/sps2000.shtml
Satélite LEO (orbitando a 1100 Km)
Orbitas al día: 16
Capacidad: 10 Mw
Costo: Entre 100 – 300 MM$
Rectennas: En el ecuador
Energía: entrega 200 segundos de energía por cada orbita (100 Kwh)
Cráter Plum en la Luna
Foto NASA:
La nave Apolo 16 pasó tres días en la Luna en Abril de 1972, siendo la quinta de seis misiones alunizadoras. La Apolo 16 fue famosa por instalar y utilizar un telescopio ultravioleta en lo que fue el primer observatorio lunar, y por recolectar rocas y datos sobre las misteriosas tierras altas de la Luna.
En esta foto, el astronauta John W. Young fotografía a Charles M. Duke, Jr. recolectando muestras de rocas en el sitio de alunizaje Descartes.
Duke está cerca del cráter Plum, mientras que el vehículo explorador lunar espera aparcado
en el trasfondo.
El vehículo explorador lunar permitió que los astronautas viajaran grandes distancias para investigar las características superficiales y recolectar rocas. Mientras tanto, arriba, Thomas K. Mattingly orbita en el Módulo de Comando.
Transmisión inalámbrica por robots desde los cráteres
Generación eléctrica solar en el tope de la montaña
Comunicación directa
Orbita lunar
Polo Norte
Polo Sur
• Los rayos del sol son siempre horizontales en el polo Norte y Polo Sur• Nunca hay luz en los cráteres• Siempre hay luz en las montañas
Lecciones aprendidas
• La electricidad es la forma de energía que mas utiliza la humanidad
• El crecimiento de la población mundial, las necesidades energéticas y el impacto al hábitat del hombre requiere de un nuevo esquema energético mundial
• El perfil de la nueva fuente energética debe ser: no agotable, limpia, disponibilidad continua, de uso directo y de bajo costo.
• De las opciones energéticas actuales la EEES es la que mejor cumple con el perfil buscado
• El desarrollo comercial de EEES requiere del interés y apoyo de las instituciones gubernamentales, especialmente, de los países desarrollados
La decisión de ir a la luna:
Discurso del 25 de mayo de 1961 del presidente John F. Kennedy antes de una sesión común del congreso, en Washington DC, de los E.E.U.U. El Vicepresidente Lyndon Johnson (izquierda) y el vocero de la Casa Blanca, Sam Rayburn (derecha).
Durante este discurso, Kennedy hizo la siguiente declaración famosa:
" … Creo que esta nación debe confiar en alcanzar la meta, antes de que esta década finalice, de poner a un hombre en la luna y de regresarlo con seguridad a la tierra. No hay proyecto espacial, en este período, que impresione mas a la humanidad, o más importante en la exploración del espacio a largo alcance; y ninguno será tan difícil o costoso de lograr como el primer viaje a la luna … ".
El aterrizaje de luna fue alcanzado en julio de 1969.
… Si ya se hizo una vez
Foto NASA: Los astronautas Robert Curbeam y ChristerFuglesang trabajan en la estación espacial internacional mientras ésta sobrevuela Nueva Zelanda (diciembre 2006)
… por que no hacerlo nuevamente… por que no hacerlo nuevamente
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